作者：Arnie Mae BaesandChristian Garcia

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室是基于軟件的儀器的集合。它是一個(gè)作為軟件應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的模擬電子實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，它允許用戶執(zhí)行大量電子實(shí)驗(yàn)。擁有一個(gè)物理的、功能齊全的實(shí)驗(yàn)室可能既昂貴又難以管理。想象一下，擁有可以放在口袋里的電子實(shí)驗(yàn)室的能力;可能性是無窮無盡的！

本文旨在演示用戶如何使用ADALM2000開發(fā)自己的虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器。本文將使用Python編程語言，因?yàn)樗暮唵涡?，也因?yàn)樗情_源的。通過Python和ADALM2000的結(jié)合，可以開發(fā)多種虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬用表等。但是，本文將只關(guān)注一種儀器 - 示波器。這是一個(gè)很好的儀器，因?yàn)樗俏覀冊(cè)趯?shí)際電子實(shí)驗(yàn)室中使用的最基本的儀器之一。

介紹

儀器儀表行業(yè)正在穩(wěn)步、快速地向虛擬化邁進(jìn)?；谲浖膬x器托管在PC上，PC使用盡可能少的專用硬件將其連接到必須測量/控制的設(shè)備。該硬件通常包括用于直接數(shù)字化信號(hào)或控制獨(dú)立儀器的插件板。

虛擬 儀器 以 靈活 性、 模 塊 化 和 可 移植 性 而 谼 出 了 廣 贛。ADI公司為客戶提供電子模塊，幾乎可以滿足所有用例的需求，包括本用例。該模塊的一個(gè)很好的例子是ADALM2000。

ADALM2000使工程師或開發(fā)人員能夠根據(jù)其特定需求創(chuàng)建自己的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。通過libm2k庫，用戶可以開發(fā)使用C++、C#或Python控制ADALM2000的軟件應(yīng)用程序。有關(guān)ADALM2000和libm2k的更詳細(xì)討論將在后面的章節(jié)中討論。

什么是示波器？

示波器是電子工程的重要組成部分，因?yàn)樗鼈優(yōu)槌Ｒ姾蛷?fù)雜電路的信號(hào)分析帶來了價(jià)值。除此之外，如今的示波器還具有計(jì)算機(jī)連接功能，因此示波器中捕獲的信號(hào)可以數(shù)字存儲(chǔ)以供以后分析。

示波器用于可視化 模擬或數(shù)字波形。前面板控制 — 放大器觸發(fā)、掃描 定時(shí)和顯示 - 用于調(diào)整顯示以更好地可視化信號(hào)。

它向我們展示了信號(hào)輸入在一定時(shí)間內(nèi)的行為，這對(duì)于分析常見電路至關(guān)重要。它還有助于驗(yàn)證 這些電路。這是示波器不可或缺的主要原因 任何電子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的一部分。除此之外，我們還可以改進(jìn) 通過允許工程師定制其電子電路來分析某些電子電路 非常自有的示波器，以滿足他們的需求。

什么是ADALM2000？

ADALM2000是一款主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊，內(nèi)置數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓表、頻譜和數(shù)字總線分析儀以及兩個(gè)可編程電源。對(duì)于基本用戶或?qū)W生，Scopy可用于與ADALM2000接口。對(duì)于應(yīng)用程序開發(fā)人員，可以使用 libm2k 庫開發(fā)應(yīng)用程序接口。固件開發(fā)人員還可以選擇開發(fā)可直接在ADALM2000上運(yùn)行的定制軟件或HDL。

開始

安裝 Python 和 PyCharm

Python 是一種功能強(qiáng)大且易于學(xué)習(xí)的開源編程語言。Python可以從Python官方網(wǎng)站下載。如果不確定要使用哪個(gè)版本，請(qǐng)選擇 Python 3.7。

Python可以在沒有集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的情況下使用，但為了使下載庫和調(diào)試變得無憂無慮，可以使用PyCharm。PyCharm是一個(gè)IDE，為開發(fā)人員提供了幾個(gè)基本工具，使其成為用于Python開發(fā)的最受歡迎的IDE。在JetBrains 官方網(wǎng)站上下載最新版本的 PyCharm 社區(qū)。

庫的安裝

Python 庫包含可用于特定應(yīng)用程序的方法或函數(shù)。在本文中，我們將使用 libm2k、matplotlib 和 NumPy。

Libm2k

要使用 Python 與 ADALM2000 接口，您需要安裝 libm2k 庫。這是一個(gè)C++庫，具有適用于Python，C#，MATLAB和LabVIEW的可用綁定，并具有以下功能：??

模擬輸入用于示波器或電壓表。我們將重點(diǎn)關(guān)注這一點(diǎn)。

模擬輸出用于信號(hào)發(fā)生器。

數(shù)字用于邏輯分析儀或模式發(fā)生器。

電源用于恒壓發(fā)生器。

數(shù)字萬用表適用于數(shù)字萬用表。

有關(guān)此庫的詳細(xì)信息可以在libm2k wiki頁面上找到。

安裝 libm2k

安裝此庫的一種方法是執(zhí)行以下步驟：

轉(zhuǎn)到發(fā)布頁面。

下載庫的最新可執(zhí)行版本。 示例：libm2k-0.4.0-Windows-Setup.exe

運(yùn)行可執(zhí)行文件。確保在以下情況下選擇安裝 libm2k Python 綁定“設(shè)置”窗口會(huì)提示您選擇其他任務(wù)。

完成安裝。Libm2k 將安裝在默認(rèn)環(huán)境中 的蟒蛇。

Matplotlib

要?jiǎng)?chuàng)建示波器顯示，您需要使用 matplotlib 庫。這 庫很流行，易于使用，用于在 Python 中自定義和顯示可視化。有關(guān)此庫的詳細(xì)信息可以在matplotlib 網(wǎng)站上找到。

數(shù)字派

一個(gè)簡單的示波器仍然需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算。這 NumPy庫可以通過為復(fù)雜的計(jì)算提供簡單的函數(shù)來提供幫助。 有關(guān)此庫的詳細(xì)信息可以在NumPy網(wǎng)站上找到。

安裝 Matplotlib 和 NumPy

要同時(shí)安裝 matplotlib 和 NumPy，請(qǐng)?jiān)?PyCharm 中按照以下步驟操作：

轉(zhuǎn)到文件>設(shè)置>項(xiàng)目解釋器。

單擊位于設(shè)置窗口右側(cè)的 + 圖標(biāo)。

將出現(xiàn)“可用包”窗口。在搜索框中，搜索 對(duì)于 matplotlib 和 NumPy。

指定要安裝的版本（選擇最新版本）。

單擊安裝包按鈕。

圖3.在 PyCharm 中安裝庫包。

硬件設(shè)置

在開始編碼之前，讓我們?cè)O(shè)置硬件組件。以下 需要硬件組件：

信號(hào)源（或信號(hào)發(fā)生器，如果有）

ADALM2000

探頭和剪刀

如果信號(hào)發(fā)生器可用，請(qǐng)將ADALM2000器件連接到通道1，然后 帶有探頭和/或快波器的通道 2，使用圖 4 所示的配置。

您也可以對(duì)其他可用信號(hào)源遵循相同的配置。 最后，通過USB端口將ADALM2000器件連接到PC。

簡單虛擬示波器

在本節(jié)中，我們將逐個(gè)塊介紹程序塊。我們還將討論代碼的作用以及編寫它們的原因。我們將在后續(xù)部分中演示其他示例，在這些示例中，我們將修改此基本代碼，以表明我們可以添加更多功能以最適合開發(fā)人員的用例。

首先，導(dǎo)入我們將用于開發(fā)虛擬示波器的三個(gè)庫（libm2k、matplotlib 和 NumPy）。

統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符（URI）是每個(gè)ADALM2000的唯一標(biāo)識(shí)符 已連接到電腦。該代碼塊可確保ADALM2000連接到PC。如果沒有ADALM2000，代碼將自動(dòng)退出 設(shè)備已插入電腦。

使用檢測到的URI連接到ADALM2000。uri[0]與 檢測到第一個(gè)ADALM2000器件的URI（以防有多個(gè)器件） 設(shè)備已連接。

運(yùn)行 ADC 和 DAC 的校準(zhǔn)。這是確保我們將 獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

設(shè)置采樣率和持續(xù)時(shí)間?？捎玫牟蓸勇蕿?1 kHz、10 kHz、 100 kHz、1 MHz、10 MHz 和 100 MHz。采樣率是我們 在 1 秒內(nèi)獲取樣本，持續(xù)時(shí)間是我們獲得這些樣本的時(shí)間。為 例如，如果我們將采樣率設(shè)置為 1000，持續(xù)時(shí)間設(shè)置為 3，我們將得到 每秒 1000 個(gè)樣本，持續(xù) 3 秒。這使得總共 3000 個(gè)樣本。

啟用通道 1 并將其設(shè)置為示波器的模擬輸入。

Linspace用于創(chuàng)建均勻分布的樣本數(shù)組。我們將使用這個(gè) 用于創(chuàng)建時(shí)間 x 軸數(shù)據(jù)數(shù)組的 NumPy 函數(shù)。此函數(shù)的第一個(gè)和第二個(gè)參數(shù)分別指示數(shù)組的開始值和結(jié)束值。 最后一個(gè)參數(shù)是我們想要在其中生成的樣本數(shù) 開始值和結(jié)束值。

在此示例中，起始值為 0，結(jié)束值為設(shè)置的持續(xù)時(shí)間，即 為 3。對(duì)于樣本數(shù)量，我們將持續(xù)時(shí)間和sample_rate相乘得到 我們需要的總樣本，即 3000 個(gè)樣本。這 3000 個(gè)樣本將 均勻地放置在 0 和 3 之間。此數(shù)組將存儲(chǔ)在time_x中。

data_y存儲(chǔ)我們使用ADALM2000收集的波形樣本。 裝置。通道 1 的樣本存儲(chǔ)在data_y[0]中，而來自 通道 2 存儲(chǔ)在data_y[1]中。為了讓我們顯示準(zhǔn)確的頻率 波形，我們必須使用與time_x中使用的相同數(shù)量的樣本。

創(chuàng)建我們將要操縱的圖形。plt.subplots函數(shù)將返回 圖形對(duì)象（存儲(chǔ)在圖中）和軸對(duì)象（存儲(chǔ)在AX中），它們將是 用于自定義整個(gè)情節(jié)。

我們可以添加網(wǎng)格作為波形的指南。添加軸標(biāo)簽 和 y 限制以添加有關(guān)繪圖的更多詳細(xì)信息。

顯示圖表。

銷毀代碼末尾的上下文。

運(yùn)行代碼，并期望看到類似于圖 5 的圖。

圖5.單通道正弦波輸出;一個(gè)信號(hào)發(fā)生器輸出：10 Hz，2 V 峰峰值。

2通道虛擬示波器

在本節(jié)中，我們將使用上一節(jié)中的代碼并添加更多 代碼塊使其成為 2 通道虛擬示波器。

要添加另一個(gè)通道，請(qǐng)復(fù)制ocsi.enableChannel和ocsi.setRange行，并從libm2k 更改第一個(gè)參數(shù)。ANALOG_IN_CHANNEL_1libm2k。ANALOG_IN_CHANNEL_2。

在創(chuàng)建圖形時(shí)，為通道 2 添加另一個(gè)圖。通道 2 的數(shù)據(jù)位于 數(shù)組data_y[1]。我們還可以自定義兩個(gè)圖的顏色，以輕松區(qū)分它們。在此示例中，我們對(duì)通道 1 使用了淺珊瑚 和鋼藍(lán)色用于通道 2。

運(yùn)行代碼，您應(yīng)該看到類似于圖 6 的結(jié)果。

圖6.雙通道正弦波輸出。通道 1 信號(hào)發(fā)生器輸出：10 Hz，2 V 峰峰值;通道 2 信號(hào)發(fā)生器輸出：5 Hz，3 V 峰峰值。

虛擬示波器的附加功能

在本節(jié)中，我們將為虛擬示波器添加其他功能 使其更具交互性。Matplotlib提供了幾個(gè)我們可以的小部件 用。在此示例中，我們將使用文本標(biāo)簽和滑塊小部件。我們還將 繼續(xù)上一節(jié)中的代碼。

為 matplotlib 滑塊添加另一個(gè)導(dǎo)入。

將時(shí)間和數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換為 NumPy 數(shù)組。這些將用于 我們將在下一個(gè)代碼塊上進(jìn)行計(jì)算。

由于我們獲取了所有波形數(shù)據(jù)，是什么阻止我們提取 這些波形的性質(zhì)是什么？在下面的代碼塊中，我們提取了 VPP/ 5大道和 V有效值從兩個(gè)通道的獲取數(shù)據(jù)中。計(jì)算 VPP, 我們添加了在 data_y numpy 數(shù)組。計(jì)算 V 的步驟大道，我們只需要除以 VPP到圓周率。自 V 的計(jì)算有效值，我們需要除以 VPP到 2 乘以 2 的平方根。

此代碼塊與前面的部分類似。唯一的區(qū)別是 我們使用 NumPy 數(shù)組作為繪圖，而不是使用原始數(shù)組。我們 還從繪圖創(chuàng)建了波形對(duì)象。我們稍后將使用這些對(duì)象。

顯示計(jì)算的 VPP/ <>大道和 V有效值在圖中，我們將利用文本 來自 Matplotlib 庫的標(biāo)簽小部件。創(chuàng)建字符串標(biāo)簽、label_ch1和label_ch2，然后連接這兩個(gè)字符串以創(chuàng)建最終標(biāo)簽fin_label。我們將使用plt.text來創(chuàng)建文本標(biāo)簽。第一個(gè)和第二個(gè) 參數(shù)（0.2， 3）是文本的 x 和 y 位置。第三個(gè)參數(shù)是 要顯示的字符串。第四和第五個(gè)參數(shù)是文本樣式和 框，分別。

接下來，讓我們創(chuàng)建偏移滑塊。此滑塊的目的是調(diào)整 波形的參考電平。將主圖調(diào)整到左側(cè)以提供空間 滑塊。plt.軸定義 滑 塊。滑塊功能用于為偏移滑塊創(chuàng)建對(duì)象 特定屬性。

創(chuàng)建update_offset函數(shù)并將其注冊(cè)到offset_slider對(duì)象。每次我們更改滑塊的值時(shí)，此功能都會(huì)向波形添加偏移量。

運(yùn)行代碼，并期望看到類似于圖 7 的圖形。

圖7.默認(rèn) 2 通道正弦波輸出，帶偏移滑塊。

嘗試使用滑塊調(diào)整偏移量。您將看到波形向上移動(dòng) 或?qū)崟r(shí)關(guān)閉。

圖8.調(diào)整偏移滑塊（左側(cè)滑塊）以調(diào)整兩個(gè)通道輸出的偏移。

總結(jié)

本文解釋了擁有虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的重要性和便利性。它還演示了如何使用 ADALM2000和Python。軟件要求和硬件設(shè)置 在介紹三個(gè)例子之前進(jìn)行了討論。

審核編輯：郭婷